基于SuperMap的空域设计评估综合系统

苗 亚，韩松臣，张 明

(南京航空航天大学民航学院，江苏 南京 210016)

近年来，随着计算机技术的快速发展，计算机仿真已经成为交通领域研究的重要手段之一［1］。在我国的空中交通研究领域中，众多设计和仿真系统已被开发和应用在各个方面，发挥了巨大作用。但从各个系统的开发过程来看，目前仍然存在一定不足，主要体现在:系统开发一般都从最基础的编码做起，使各系统重复工作较多、开发周期长、难度相对较高，系统通用性不高。笔者针对上述问题讨论建立了通用空域设计评估综合系统的相关方法。

1 系统概述

空域设计评估综合系统主要包括空域结构辅助设计和飞行区运行仿真两个部分。其中，飞行区运行又分为空中交通和机场地面交通两个子部分，相关仿真系统的开发已形成两个彼此独立的分支。但仔细观察会发现，这两种交通方式无论是其基本运行单元的特性还是运行控制管理方式都有诸多相似之处。因此，开发过程中可以将二者相同的部分提取出来，组成一个通用的飞行区运行仿真内核，在该内核基础上丰富和完善系统功能，分别开发出空中交通通用仿真系统及地面交通通用仿真系统。最终用户可进一步开发上层模块放到相应通用系统中或根据需要对系统进行定制，从而形成符合用户需求的各类设计仿真综合系统，系统的结构框架如图1所示。

图1 系统结构框架

2 模拟单元构造方法

无论是何种交通系统，其基本的模拟单元都包括人、交通工具、路及控制系统等［2］，而这些单元许多最基本的属性和功能都是相同的。因此可以将模拟单元高度抽象化，提取各类单元中相同的最基本属性构成抽象化的模拟单元集，并在此基础上进一步丰富单元属性、方法等构成实际模拟单元，使其成为可重用的模块。这样，既节省大量的开发工作，研发人员又可集中精力于上层逻辑模块的开发中。为实现上述思想，拟采取以下两个步骤［3-4］:

(1)将模拟单元内核属性与规则描述相分离。将对一个模拟单元的描述分为内核和规则两部分，内核主要指模拟单元的属性，规则既可以是模拟单元自身的某些规律，也可以是与其他特定单元的相互作用。利用该方法使模拟单元的内核描述与规则分离，同样的属性受到不同规则的约束就构成了不同的模拟单元实体。这样在系统中就可将规则设为比较灵活、可随时接入的模块，根据不同的模拟需求，采用不同的规则模块以描述不同的单元实体。模拟单元描述方法如图2所示。

图2 模拟单元描述方法

当系统中增加了某种新的模拟单元时，会有一些新的属性及规则需要描述，然而其最基本的属性往往是不变的。因此，一方面可在系统中接入新的规则模块来描述新的作用规则;另一方面可对新的属性进行分解，用规则与最基本的属性相互作用的结果来替代。

利用上述方式描述系统模拟单元可实现较高的通用性和灵活性，是系统通用性实现的重要保障之一。

(2)在同一模拟单元集内，各模拟单元的属性也不尽相同，为此系统采用分层描述的方法对其进行描述。首先，将每一种模拟单元的公有属性作为该类模拟单元的基础，即第0层，该类模拟单元均在此基础上构建;然后将本集内各单元按相似性再进行二次分类，组成该对象集的第1层，并总结每一类的公有属性;以此类推，对每个子类再分类并总结属性，直到不能再分为止。此时最外层单元即为实际的描述单元，并描述其各自特性。同样，在模拟实体分层描述过程中，每一层单元在描述规则时也遵照步骤1所确立的原则。

3 系统构造方法

系统的主要目的是实现高通用性的空域设计评估综合平台供有关科研人员使用，因此如何使科研人员方便地将自己的科研模块接入到系统中是需要重点考虑的问题。若要达到较高的通用性，就要求系统结构必须灵活，各模块要尽可能独立，模块间耦合性要低，整个系统应当是一个离散化结构的系统。为此系统采用了分层结构与插件式结构相结合的方法，通过以下措施来保证系统的通用性:①为用户提供易于使用的数据接口;②为用户提供较好的模块接口。

3.1 系统的分层结构

为了让系统的组织更加简洁，与外界数据交换更具灵活性，系统采用了分层结构的方式。系统的分层结构体现在两个方面:①系统从整体结构上分层;②系统每一部分内部再分为若干层。

系统从整体上分为核心层、辅助层、外围层和扩展层4个层次。系统层次结构如图3所示。

图3 系统层次结构

图3显示了系统各层主要完成的功能。系统的核心层是系统运行所需的最基本部分，主要包括飞机流模拟和控制决策模拟两大模块。辅助层主要是辅助核心层的模拟进程，使模拟过程更加完整，并进行模拟数据读取工作。外围层主要完成方案输入、模拟条件初始化、数据分析评价及各类数据转化等功能。在模拟进行过程中，该层并不直接参与操作和控制，但用户定义的各类数据主要由该层进入系统，因此，该层是系统主要的数据集接口。系统扩展层主要作为系统的模块级接口层，提供各类设计仿真研究模型的系统接口。

系统运行过程中，外部接入的数据都必须经过扩展层和外围层才能进入系统辅助层和核心层，并转化为内部两层可识别的信息，以进一步控制系统完成不同目的和不同方案的模拟，用户也可通过内部两层向外围层提供的接口将自行开发的模块接入到系统中。通过系统扩展层和外围层的过滤，系统内两层接收到的数据被转换为系统所能识别的数据格式。同样，对于系统的输出，也要依次经过扩展层和外围层的转换变成用户所需的格式。这种结构实际上相当于在系统的核心层和辅助层之外构造了数据的逻辑转换层，保证了进入系统核心的数据都是系统可以识别的标准数据，从而在保证系统通用性的同时，简化了系统开发的复杂度。

为了与系统总体的层次结构相适应，系统中每一部分(各子系统或模块)内部都将按上述原则进行分层，形成“外围接口—逻辑转换—内部控制”的结构模式，从而使每一个与外部有数据交换的模块都有较好的通用性。

3.2 系统的插件式结构

为满足用户需求，系统还需要提供较为方便的功能性接口，为此系统采用了插件式结构，如图4所示。在这种结构中，数据流被从系统中剥离出来并进行一定的封装，同时还加入一部分系统运行管理功能，从而构成空域设计评估综合系统运行的支撑环境［5-7］(air space design and evaluation systemrun time interface，ASDES-RTI)。图4中虚线为ASDES-RTI的连接管理功能示意。

图4 系统的插件式结构

ASDES-RTI的管理功能主要是针对系统运行过程中模块一级的管理，并不涉及系统的具体功能。该结构方式以飞机流模拟为核心，以ASDES-RTI为总线，将系统的其他主要部分划分为尽可能独立的模块(插件)连接到ASDES-RTI上，模块之间主要通过数据ASDES-RTI进行数据交换，进而实现功能之间的关联。根据这种结构，系统在运行过程中就可自主选择合适的模块来完成系统的功能需求，这些模块可以是用户根据需要自行开发的模块，也可以是系统提供的基本运行模块，以便为系统正常运行提供一些默认的功能及运行方案等。

该结构使各模块之间尽可能独立，用户可较容易地将自己的模块加入到系统中，且系统还可针对每个用户的不同需求对个别模块进行修改和定制，更加有利于系统通用性和可扩展性的实现。

综合考虑上述两种结构各自的优点，在系统设计过程中将二者有效地结合起来。利用层次性结构逻辑清晰分明的特点定义系统的各组成部分，分析其数据交换和接口要求;利用插件式结构来组织各部件，实现各部件与系统的连接。这样，系统既按照插件式结构来组织和实现，各部分的任务、交互关系和内容又呈现出层次特性。

4 系统开发与实现

4.1 开发工具

ASDES采用高级编程语言Visual Basic在超图公司提供的SuperMap Objects组件式GIS平台基础上作二次开发。SuperMap Objects是北京超图有限公司开发的基于COM组件技术标准，以ActiveX控件的方式向用户提供强大GIS功能的软件平台，可以实现添加图形可视化、空间数据处理和数据分析等功能［8］。组件式GIS是指基于组件对象平台，一组由某种标准通信接口、允许跨语言应用的组件提供的GIS，它是GIS与组件技术相结合的新一代地理信息系统［9-10］。

4.2 系统界面实现

系统界面的实现是系统开发过程的关键，即完成系统所要求的整体框架及各功能接口，由于篇幅的限制，这里仅对空域结构辅助设计模块和2D/3D动态监视模块进行描述。

空域结构辅助设计模块主要由菜单栏(Menu)、制图组件(Layout控件)、核心组件(SuperMap Control控件和 SuperWkspace Control控件)、工作空间管理组件(SuperWkspaceManager控件)和图例组件(Legend控件)构成。其中，SuperWkspace-Manager控件用于定义管理创建的数据集，如导航台、定位点、航线、跑道和扇区等;SuperLegend-Ctrl控件用于图例的生成、编辑和修改，与制图模块相结合生成地图;SuperMap Control控件用于图层控制、影像配准以及地图显示、编辑和捕捉等。空域结构辅助设计界面如图5所示。

图5 空域结构辅助设计操作界面

2D/3D动态监视模块主要由显示控制菜单(CtrlMenu控件)和2D/3D组件(SuperMap 2D/3D控件)构成。CtrlMenu控件用于显示时间节点、控制显示速度和进度;SuperMap 2D/3D控件用于实现二维/三维渲染与分层设色、立体透视图、正射三维影像图、纹理映射以及显示、旋转和2D/3D模型浏览等操作，并生成 TIN和 DEM。2D/3D动态监视效果如图6所示。

图6 2D/3D动态监视界面

5 算例

以某国际机场终端区为评估对象，根据机场的发展规划，对2020年终端区容量进行了评估，终端区空域结构与运行情况如图5、图6所示，具体的数据由机场当局提供。由于评估涉及到的参数众多，且有些数据具有保密性，故只列出了一些评估结果，如表1所示。

表1 容量、负荷、延误随仿真架次变化数据表

表1给出了在不同仿真架次下，实际容量、各扇区管制工作负荷及延误的两种评估结果。通过比较可知，系统评估出的结果在实际容量、各扇区负荷及平均延误方面均比原有评估结果优越，且根据“DORATASK”方法［11］对管制员工作总时间的80%的限制即2880 s可以得出，终端区实际最大容量可以取到57架次，比原有实际最大容量56架次有所提高。

经过专家验证得知，将该国际机场的实际运行模块接入到系统得出的评估结果客观、合理且误差在可接受范围内，一定程度上提高了空域容量。系统的通用性得到进一步验证。

6 结论

讨论了一种通用空域设计评估综合模拟系统的构造方法，提出了模拟系统中模型的构造方法，以及使系统通用化的系统构造思想。在此基础上进一步构造出了适合用户需求的基于SuperMap平台的通用空域设计评估综合系统，并先后完成了上海、成都、昆明和西安等多个机场和终端区的容量评估。结果表明，ASDES作为国内首套自主研发的完整的通用空域设计评估系统为提高我国空中交通领域通用设计仿真系统的研究奠定了技术基础，对提高我国空管安全具有重要意义，应用前景广阔。

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［3］薄熙，杨肇夏.城市交通综合仿真系统开放式仿真体系结构研究［J］.计算机仿真，2002，19(3):50-53.

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